大埋深斷層集中帶巷道全斷面協(xié)同錨固技術(shù)及應(yīng)用

李 進，侯華營，高 琪

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦進入深部開采之后，圍巖在高應(yīng)力、開采擾動、強蠕變和較強時間效應(yīng)等復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的綜合影響下，巷道變形破壞嚴重[1-3]，此時，斷層、破碎帶等不良地質(zhì)的出現(xiàn)無疑會加劇上述巷道的破壞程度，使其穩(wěn)定性控制難度大幅度提高[4]。

近年來，隨著研究的不斷深入，在深部斷層集中帶巷道的圍巖穩(wěn)定性控制方面也取得了較多的成果。顧士超等[5]針對星村煤礦深部斷層破碎帶巷道設(shè)計了錨注加固技術(shù)；謝小平等[6]針對大磨嶺煤礦深部破碎圍巖提出了不對稱“錨網(wǎng)索噴”二次聯(lián)合支護技術(shù)；高杰等[7]針對南屯礦西北軌道運輸上平巷穿斷層支護問題，提出了分步聯(lián)合支護技術(shù)方案；王琦等[8]針對深部斷層構(gòu)造破碎帶等條件下的難支護巷道，提出U型約束混凝土拱架新型支護技術(shù)。上述技術(shù)在特定巷道中的頂板、兩幫穩(wěn)定性控制方面取得了一定的效果，但由于對底板巖體缺少必要的控制措施，限制了技術(shù)的推廣應(yīng)用。根據(jù)協(xié)同錨固理論[9-11]，圍巖穩(wěn)定性控制是多尺度、多層次控制變量的競爭與合作過程，一個合理的控制技術(shù)既要做到支護結(jié)構(gòu)自身效能的最大發(fā)揮，也有做到錨固結(jié)構(gòu)支架的協(xié)同作用，巷道底板的破壞必然使得兩幫錨固體失去堅實的“基礎(chǔ)”，兩幫錨固體的破壞也必然增加頂板的計算跨度，巷道的支護設(shè)計應(yīng)該是全斷面進行，尤其是針對深部斷層帶集中的巷道，圍巖穩(wěn)定性的全斷面設(shè)計更加重要。

本文以車集煤礦28軌道下山過斷層集中帶段巷道為研究對象，通過地質(zhì)雷達對巷道破壞范圍進行全面檢測，利用協(xié)同錨固理論對巷道穩(wěn)定性控制進行設(shè)計，提出深部斷層集中帶巷道全斷面協(xié)同錨固技術(shù)，并進行現(xiàn)場應(yīng)用，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

車集煤礦28軌道下山埋深為-850 m，屬于深部巷道，設(shè)計凈寬4 500 mm，凈高3 750 mm，施工坡度為10°下山施工，原巷道頂幫為錨網(wǎng)索噴支護，底板未錨固。在地質(zhì)分布方面，在2803下山底抽巷車場入口前方約100 m范圍內(nèi)，巷道連續(xù)穿越5條斷層，地質(zhì)剖面如圖1所示，巷道出現(xiàn)幫部收縮、底鼓及幫頂開裂及網(wǎng)兜現(xiàn)象，幫部收縮量200～500 mm，底鼓量超過600 mm，頂板下沉量超過200 mm，隨經(jīng)多次返修，但效果并不顯著，給煤礦生產(chǎn)帶來了嚴重影響。

圖1 28軌道下山部分巷道地質(zhì)剖面Fig.1 Geological section of part of roadway in the 28 track downhill

2 巷道破壞范圍探測

為了確定圍巖破壞深度，采用美國SIR-3000便攜式地質(zhì)雷達，沿巷道走向分頂板、右?guī)?、左幫、底?條測線對圍巖破壞范圍進行測試，測試結(jié)果如圖2所示。經(jīng)專用軟件對圖像解析可知，頂板、右?guī)汀⒆髱秃偷装宓钠茐姆秶謩e為2.0～2.2、 2.0～2.4、 2.0～2.2、2.0～2.2 m。

圖2 28軌道下山雷達探測剖面Fig.2 28 track downhill radar detection profile

3 全斷面協(xié)同錨固設(shè)計

3.1 錨固參數(shù)設(shè)計

在對錨固機理、參數(shù)設(shè)計、施工方法等系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)圍巖破壞范圍實測結(jié)果，利用協(xié)同錨固理論[9-12]，以“高預(yù)緊力、高錨固力、高強度、高剛度和高承載能力”為設(shè)計原則和目標(biāo)要求，從錨桿—錨索結(jié)構(gòu)布置、桿體長度、鉆裝角度、錨固長度、預(yù)應(yīng)力施加、連鎖方式等多個層面開展協(xié)同錨固技術(shù)及變量參數(shù)設(shè)計，詳細設(shè)計參數(shù)如下。

(1)兩幫和頂板加固。①選用φ22 mm×2 800 mm高強錨桿，錨桿間排距均為700 mm，錨桿起錨高度200 mm，底腳錨桿打設(shè)角度與水平方向夾角為45°左右，選用2卷2550錨固劑，錨固長度不小于1 m，施加扭矩不小于300 N·m(采用風(fēng)動扳手，以下同)，金屬網(wǎng)網(wǎng)片規(guī)格2 000 mm×900 mm，網(wǎng)格規(guī)格70 mm×70 mm，網(wǎng)片搭接不小于70 mm，搭接處均使用雙股14號鐵絲連網(wǎng)，連網(wǎng)間距不大于200 mm。②沿巷道斷面方向，用鋼筋梯(或鋼帶)將錨桿連接為一整體，鋼筋梯采用直徑14 mm圓鋼焊接而成，眼距700 mm，兩端預(yù)留長度100 mm，每條鋼筋梯的眼數(shù)可以根據(jù)自身具體情況確定，搭接點位置沒有特殊要求，只要保證整個橫斷面鋼筋梯的連續(xù)即可。③每個斷面頂拱及兩幫共鉆裝7根錨索，其中，頂板5根，底角2根，直徑均為21.6 mm，底角錨索長度5 200 mm，距底板距離不超過500 mm，其他錨索長7 200 mm，間排距均為1 600 mm，錨固長度為2 m(用4卷2550錨固劑)，張拉力120～150 kN(30～35 MPa)，每根錨索配用一個托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm。④沿巷道走向，使用鋼筋梯將錨索連接在一起，鋼筋梯采用φ14 mm圓鋼焊接而成，長度3 400 mm，眼距1 600 mm，兩端預(yù)留長度100 mm。⑤錨桿附件自下而上的疊放順序：金屬網(wǎng)→鋼筋梯→托盤→螺母；錨索附件自下而上的疊放順序：金屬網(wǎng)→鋼筋梯→托盤→錨具；錨桿和錨索鋼筋梯之間的疊放順序為：連接錨固的鋼筋梯在下，連接錨索的鋼筋梯在上。

(2)底板加固。①錨索選用φ21.6 mm×7 200 mm鋼絞線錨索，每排3根，間排距均為1 600 mm，錨固長度為2 m(用4卷2550錨固劑)，張拉力為120～150 kN(30～35 MPa)，每根錨索配用一個托盤，規(guī)格為200 mm×200 mm×20 mm。 ②錨索垂直于底板安裝，沿巷道橫向斷面，使用槽鋼進行連接，槽鋼規(guī)格為16號礦用槽鋼，長度3 800 mm，眼距1 600 mm，兩端預(yù)留長度300 mm。沿巷道走向，使用W鋼帶連接，鋼帶規(guī)格為寬度280 mm，厚5 mm，長度3 800 mm，眼距1 600 mm，兩端預(yù)留長度300 mm。為了提高底板表面的抗拉強度、增加錨固的整體性，可在底板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，規(guī)格同兩幫。金屬網(wǎng)、托盤、鋼帶等自下而上的疊放順序：金屬網(wǎng)→鋼帶→槽鋼→托盤→錨具。③由于底板較為破碎，考慮到鉆孔時成孔有難度，影響到錨索安裝，可以在錨索施工前先進行底板注漿。

(3)噴射混凝土加固方案。兩幫開挖以后，先噴100 mm混凝土(C20)，待錨網(wǎng)索施工完成后，再噴50～100 mm。支護橫斷面如圖3所示，頂?shù)装迤矫娌贾萌鐖D4和圖5所示。

圖3 支護橫斷面Fig.3 Supporting cross section

圖4 頂板支護平面Fig.4 Roof supporting plan

圖5 底板支護平面Fig.5 Floor supporting plan

3.2 錨固效果模擬研究

為了對上述設(shè)計效果進行評價，采用FLAC3D軟件對錨固效果進行模擬，建模時，沿巷道走向選取8.4 m，模型中間斷面巷道基本位于泥巖巖層中部，沿-10°傾角向下掘進，巷道頂板上部、左幫左側(cè)、右?guī)陀覀?cè)及底板下部巖層厚度均在20 m左右。

采用位移邊界，限制模型底面及四周的法相位移，頂面施加法相應(yīng)力，模擬上部巖體自重，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，施加構(gòu)造應(yīng)力。采用漸變網(wǎng)格劃分，靠近巷道附近網(wǎng)較密，遠離巷道網(wǎng)格較疏，共劃分161 075個節(jié)點和157 248個單元。在錨固結(jié)構(gòu)模擬方面，采用cable單元模擬錨桿和錨索，shell單元模擬金屬網(wǎng)、鋼帶和槽鋼，beam單元模擬U形棚。

計算完成后，圍巖變形破壞云圖如圖6所示，錨固結(jié)構(gòu)受力如圖7所示。

圖6 28軌道下山全斷面協(xié)同錨固效果模擬計算結(jié)果Fig.6 Simulation and calculation results of the full-face collaborative anchoring effect of 28 track downhill

由圖6和圖7可以看出，全斷面協(xié)同錨固后，圍巖變形量得到了有效控制，頂板下沉量、底鼓量和兩幫收斂量分別為15.0、9.6、29.8 mm，兩幫塑性區(qū)厚度為1.2 m，底板塑性區(qū)厚度為0.4 m，圍巖穩(wěn)定性得到有效控制。此外，錨桿軸力均在16 t左右，在鋼帶等連鎖結(jié)構(gòu)的作用下，錨桿軸力彼此相互分擔(dān)，共同承載，使得頂板、兩幫錨桿軸力基本一致，錨桿受力十分均勻；在鋼筋梯、槽鋼等連鎖結(jié)構(gòu)作用下，頂板、兩幫錨索軸力沿巷道走向也均勻分布，頂板及底板錨索軸力較大，約為28 t，底角錨索受力略顯較小，約為26 t?？偟膩砜矗洛^固方案下錨桿、錨索軸力通過鋼帶、槽鋼等附屬結(jié)構(gòu)相互分擔(dān)，共同承受圍巖應(yīng)力，協(xié)同錨固作用效果優(yōu)異。

圖7 錨固結(jié)構(gòu)軸力分布Fig.7 Distribution cloud diagram of anchored structure

3.3 錨固效果實測研究

為了進一步檢驗深部斷層集中帶巷道全斷面協(xié)同錨固技術(shù)的效果，在28軌道下山開展工業(yè)性試驗，并在距離2803下巷底抽巷車場入口30 m和80 m處布置2個監(jiān)測斷面，其位置如圖8所示，對巷道表面位移進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖8 28軌道下山巷道監(jiān)測斷面位置Fig.8 Location map of monitoring section of 28 track downhill roadway

分析圖9可知，巷道返修后，圍巖表面位移隨時間的增加而逐漸增大，約20 d后，保持穩(wěn)定，最終28軌道下山兩幫收斂、頂板下沉和底板隆起量值分別約為24.0、14.0、8.8 mm，圍巖控制效果良好。

圖9 28軌道巷圍巖表面位移監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Surface displacement monitoring results of surrounding rock of 28 track roadway

4 結(jié)論

(1)基于協(xié)同錨固理論設(shè)計的深部斷層集中帶巷道全斷面協(xié)同錨固技術(shù)能全面發(fā)揮頂板、兩幫、底板錨固體的協(xié)同強化作用，消除了巷道圍巖軟弱部位的存在，28軌道下山巷道工程應(yīng)用結(jié)果表明，頂板最大沉降量、兩幫最大收斂量、底板隆起量由返修前的200、500、600 mm降低到返修后的24.0、14.0、8.8 mm，且在施工結(jié)束后20 d左右變形趨于穩(wěn)定，2019年年底至今基本沒有發(fā)生新的變形。

(2)相比其他控制技術(shù)，全斷面協(xié)同錨固技術(shù)除了巷道底板錨固施工略為復(fù)雜外，兩幫和頂板加固均采用比較常規(guī)的施工工序和工藝，沒有增加新設(shè)備、新材料，而且，在施工結(jié)束后1個月內(nèi)圍巖變形均趨于穩(wěn)定，既滿足了巷道穩(wěn)定性控制要求，又節(jié)省了巷道修復(fù)費用，在該礦后續(xù)返修和新建巷道中，類似環(huán)境中使用全斷面協(xié)同錨固技術(shù)，累計節(jié)約直接成本超過480萬元，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。